CN100540439C - 对垂直振动进行补偿的电梯及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电梯，包括：轿厢(1)，所述轿厢(1)沿竖井(8)内的导轨(6)运行；和主驱动装置(52，54，56，DMC)，所述主驱动装置用于对轿厢(1)进行驱动。传感器(30；40)安装在轿厢(1)上，用于对轿厢(1)的垂直运行参数进行测量；比较器(32)用于将检测出的轿厢运行参数(Vc；Ac)与从主驱动装置(52，54，56，DMC)导出的基准值(Vr；Ar)进行比较，和辅助电机(24)安装在轿厢(1)上，用于根据比较器(32)输出的误差信号((Ve；Ae)将一垂直的力(F)加在至少一个导轨(6)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种电梯，尤其涉及一种用于减轻作用在电梯轿厢上的瞬时垂直振动的装置。
背景技术
绝大部分电梯都存在一个共同的问题，即电梯轿厢低频垂直振动的问题。这种现象主要是由于竖井内用于驱动和承载轿厢的主驱动系统的固有的弹性造成的；例如液压电梯内液压油的可压缩性以及曳引电梯内缆索的弹性。因此，作用在轿厢上的力的任何波动都将导致相对于轿厢稳态位移的瞬时垂直振动。这些振动的起主要作用的频率是主模振动频率，所述主模振动频率取决于电梯的运行高度和如果是曳引电梯则取决于采用的缆索类型。例如运行路径为400m和采用钢丝缆索的曳引电梯的主模频率低于1Hz。乘客很容易感受到这种低频的振动，因而减弱了乘客对电梯安全的信心和通常还将导致乘行质量明显的恶化。
通常的两个振动源是：
a)当轿厢被驱动装置保持停靠在楼层上时，由于乘客登梯和离梯导致轿厢载荷的波动；和
b)运行时，在驱动装置急剧加速或急剧减速阶段由于对轿厢的冲击造成的振动、在电梯竖井内其它因素的干扰(轿厢从层门旁和从竖井内相邻的轿厢旁和与对重交会时产生的风力等)。
在EP-A1-1460021中对第一振动源进行了讨论和提及，其中当轿厢停靠在楼层时，安装在轿厢上的摩擦靴与导轨接触。因此将增大系统的整个减振比和将更为迅速地减弱由于乘客登梯和离梯造成的载荷波动引起的瞬时振动。但这种解决方案仅适用于停靠在楼层上电梯轿厢，而无法解决运行中在运行着的电梯轿厢内的乘客感觉到的振动的问题。
另外，如果由于载荷的变化引起的轿厢稳态位移大于一特定值，则通常必须重新进行平层控制，其中采用主驱动装置移动一小段距离，从而使轿厢恢复平层。特别是由于轿厢和楼层门处于开启状态，所以这种方式对主驱动装置的应用将使乘客明显地面临不希望出现的风险。在可以开始实施平层控制前，必须对稳态位移加以确定，因此势必造成反应时间缓慢。另外，重新进行平层控制本身将促使产生额外的低频振动。
振动源之一是轿厢运行时驱动装置的运行曲线的急剧变化。当电梯控制器发出通常的加速指令被直接输送给主驱动装置的电机时，如图1的第一反应曲线R1所示将出现轿厢反应冲击(overshoot)，所述反应冲击将导致振荡和不希望出现的振动。通常的用于减轻反应振动的方法，如运行曲线的轨迹R2所示，是采用对急剧变化进行倒圆的方式实现补偿。但这种对响应补偿的方式常常将增大运行时间和因而将减小电梯的运力。
另外，这种补偿方式并不能解决因电梯竖井内的其它因素对运行的轿厢的干扰和乘客在轿厢内的走动造成的振动的问题。在具有曳引轮的曳引电梯中，其中曳引轮对缆索进行驱动，所述缆索将轿厢和对重连接在一起，特别是当轿厢位于竖井的中间段和因此对轿厢承受的主模振动的振幅不会有影响时，曳引轮起着主模振动的节点的作用。迄今，由于缆索由钢丝制成，因而刚性较强和因此振动的振幅相对较小，所以该问题并不会对轿厢内乘客的乘行造成特殊的干扰。随着对用于曳引电梯的合成缆索的开发和随之替代传统的钢丝缆索的普及，缆索的弹性因而被大致翻了一番，当运行路径为400米时，主模振动频率小于0.6Hz。弹性的增大将伴随主模振动频率的降低，因而使轿厢更易于受到低频垂直振动的影响。特别是电梯竖井内的其它因素对运行的轿厢的干扰和乘客在轿厢内的移动造成的振动不再成为问题，对该问题可以不予考虑，因为这类振动对未来的乘客是能够接受的。
发明内容
因此，本发明的目的在于减弱电梯轿厢的垂直振动。
采用一种电梯实现所述目的，所述电梯包括：轿厢，所述轿厢沿竖井内的导轨运行；主驱动装置，用于对轿厢进行驱动，其特征在于，还包括传感器，所述传感器安装在轿厢上，用于对轿厢的垂直运行参数进行测量；比较器，用于将检测出的轿厢运行参数与从主驱动装置导出的基准值进行比较，和辅助电机，安装在轿厢上，用于根据比较器的误差信号输出将一垂直的力加在至少一个导轨上。因此，在轿厢停靠在楼层或在竖井内运行时出现的任何不希望出现的垂直振动都将导致比较器生成误差信号和辅助电机被驱动将垂直的摩擦力或电磁力加在导轨上，抵消掉振动。
另外，当轿厢停靠在楼层上，只要辅助电机具有足够的功率，辅助电机可以保持轿厢平层和因此不必由主驱动装置进行通常的重新平层控制。
优选所述电梯是曳引电梯，其中主驱动装置包括电梯控制器、主电机和曳引轮，所述曳引轮与曳引缆索啮合，所述曳引缆索将轿厢与对重连接在一起。本发明特别适用于曳引电梯，其中曳引缆索是由合成材料制成的，所以这种设备本身特别易于受到低频垂直振动的影响。但本发明也适用于采用皮带或钢丝缆索的曳引电梯，特别是当所述设备是高层电梯时，更是如此。
误差信号最好被馈送给辅助控制器，所述辅助控制器向功率放大器输出一个力指令信号，所述功率放大器向辅助电机提供能量。所述辅助控制器对误差信号进行必要的处理，以保证有效的减振。所述辅助控制器包括带通滤波器，用于对低于电梯的主模振动频率的信号成分加以抑制，以便避免任何稳态误差的生成。由控制系统的动态决定滤波器的上限截止频率，以便避免高频抖动。另外辅助控制器优选包含比例放大器，具有公知的诸如悬吊(skyhook)减振的优点。另外，所述辅助控制器还包括微分放大器、积分放大器和/或双积分放大器，用于将虚拟的质量添加在轿厢上和将虚拟的刚性添加在系统上。
优选滚轮导向装置对轿厢沿导轨进行导向，每个滚轮导向装置包括多个与导轨接合的轮和其中设置的辅助电机用于对至少一个轮进行旋转。许多电梯已经采用滚轮导向装置对轿厢沿导轨进行导向，和采用辅助电机对滚轮导向装置中的一个轮进行驱动是一种实施本发明的有效的费用较为低廉的和重量轻的方案。
优选从动轮的轴可旋转地安装在杆件的第一点上，所述杆件可摆动地固定在轿厢的第二点上和辅助电机的轴与第二点对准，传送带对从动轮和辅助电机的轴进行包绕，从而保证同步旋转。采用该配置辅助电机对应于轿厢在一固定位置上，和因此并不需要电机与将受到振动的轮一起移动。
为了降低系统对能量的需要量，所述辅助电机优选是一同步永磁类型的，因而当电机对轿厢减速时，起着发电机的作用，而不是起着电动机作用，因而可以对能量再生。可以将超电容器安装在功率放大器内，以便对再生的能量进行存储，以备以后的使用。
本发明还提出了一种用于减轻加在电梯轿厢上的振动的方法，包括如下步骤：提出一种主驱动装置，所述主驱动装置用于对轿厢沿竖井内的导轨进行驱动，其特征在于，对轿厢的垂直运行参数进行测量；将测量出的轿厢的垂直运行参数与从主驱动装置导出的基准值进行比较，生成一误差信号，和对安装在轿厢上的辅助电机进行驱动，以便根据误差信号将垂直的力加在至少一个导轨上。因此任何不希望出现的轿厢的垂直振动将导致比较器输出一个误差信号和驱动辅助电机，将垂直的摩擦力加在导轨上，抵消掉振动的影响。
附图说明
下面将对照附图对本发明举例加以说明。图中示出：
图1示出电梯通常的运行曲线响应；
图2为本发明电梯的示意图；
图3为图1的电梯轿厢的立体图；
图4为图3的滚轮导向装置以及速度控制器的剖视图；
图5为通过模拟获得的第一组结果的曲线图；
图6为通过模拟获得的第二组结果的曲线图；
图7为通过模拟获得的第三组结果的曲线图；
图8为通过模拟获得的第四组结果的曲线图；和
图9与图4相对应，但其中用加速度控制器替代了速度控制器。
具体实施方式
为避免描述中的不必要的重复，用相同的附图标记标示在多个实施例中相同的特征。
图2示出本发明的电梯。所述电梯包括一个在建筑物的竖井8内上下运行的电梯轿厢1。所述电梯轿厢1包括乘客厢体2，所述乘客厢体2支撑在框架4上。曳引缆索52将轿厢1与对重50相互连接在一起和所述曳引缆索52被位于竖井8上部范围上方或在竖井范围内的曳引轮54驱动。所述曳引轮54与主电机56机械耦合，所述主电机受电梯控制器DMC控制。曳引缆索52、曳引轮54、电机56和电梯控制器DMC构成在竖井8内对轿厢进行承载和驱动的主驱动装置。在高层电梯中曳引缆索52的重量是很大的和通常采用补偿缆索60克服在轿厢1沿竖井运行时出现的任何缆索52重量不平衡的现象。补偿缆索60悬挂在对重50和轿厢1上和被安装在竖井8的下面部分区段内的张紧轮62张紧。设置有动态轿厢控制器DCC，所述动态轿厢控制器DCC根据表示轿厢速度或加速度的信号Vc；Ac和来自主驱动装置的基准信号Vr；Ar对轿厢1进行促动。如图所示，弹性和缓冲程度分别与曳引缆索52、补偿缆索60、曳引轮54的支座、张紧轮62的支座和在轿厢框架4内的乘客厢体2的支座有关。
图3为图2的轿厢1的立体图。两个滚轮导向装置10安装在轿厢框架4的顶部，当轿厢1在竖井8内移动时用于对轿厢1沿导轨6进行导向。每个滚轮导向装置10由三个轮12构成，所述轮12的设置应使水平的力加在与其配合的导轨6上和从而使轿厢1保持在相对的导轨6中间。专业人员还可以联想到，将另外一对滚轮导向装置10安装在轿厢1的下面，以便改善对轿厢1的总体导向。本发明的滚轮导向装置10与现有技术的滚轮导向装置的最大的区别在于，至少可以驱动一个轮12将垂直摩擦力F加在导轨6上。
图4详细示出滚轮导向装置10的结构。为了清楚起见，去掉了滚轮导向装置10的中间的轮。每个轮12具有一个与导轨6接合的外橡胶轮胎14，和一个中轴26，所述中轴可旋转的支撑在杆件16的第一点P1上。杆件16的下端可摆动地支撑在底座28的第二点P2上，所述底座28被固定在基板18上。所述基板18又被固定在轿厢框架4的顶部上。压缩弹簧19向导轨6方向对杆件16加偏压，从而使轮12也被加有向导轨6方向的偏压。
下面以图4右侧的轮12为例对图2的动态轿厢控制器DCC加以说明。由一辅助电机24对轮12进行驱动。所述辅助电机24安装在基板18上，与杆件16上的第二点P2对准。轮12还包括一个与中轴26一体构成的传动轮20。输送带22对所述传动轮20和在辅助电机24轴上的第二轮(图中未示出)
进行包绕，从而实现同步旋转。优选传动比为1，但为减小辅助电机24的尺寸，也可以使用较高的传动比。
而且也可以将辅助电机24直接安装在导向轮12的轴26上，该设置方式与图4所示的优选设置具有一些缺点和在下面将对此加以说明。首先这种设置将对轮添加附加的质量和因此将削弱滚轮导向装置10有效的对轿厢1与导轨6之间的振动进行隔离的能力。另外，辅助电机24本身将受到剧烈和有害的振动的影响。其次，这种设置需要提供接在移动的辅助电机24上的软接线。
接在不被电机驱动的轮12的轴26上的速度编码器输出一个表示轿厢1速度的信号Vc。在比较器32上轿厢速度信号Vc减去从主驱动装置导出的速度基准信号Vr。滤波器34a的下限截止频率低于电梯的主模振动频率，以便对缆索在曳引轮54上的打滑进行补偿和避免任何稳态误差的发生。由控制系统的动态决定滤波器34a的上限截止频率，从而避免高频抖动。滤波后在速度控制器34内对速度误差信号Ve进行放大。在速度控制器34内比例放大器kp起着主导作用和因而实现作为悬吊(skyhook)减振的公知的优点，所谓的悬吊减振就好像在轿厢1和虚拟的点之间安装有一个减振器，所述虚拟的点在基准速度Vr的情况下移动，从而使轿厢速度Vc与基准速度Vr的偏差Ve导致加入一个反向的和与速度偏差Ve成比例的力。另外，速度控制器34可以实现一定量度的微分kD和积分kI放大。微分放大kD将虚拟的质量添加给轿厢1，同时积分放大kI将虚拟的刚性添加给系统。
控制器34输出的力指令信号Fc被提供给功率放大器36，所述功率放大器36接着对辅助电机24进行驱动，在轮12与导轨6之间建立一个垂直摩擦力F，以便对轿厢速度Vc与基准速度Vr的任何偏差Ve进行补偿。因此电梯轿厢1的任何不希望出现的垂直振动将会导致比较器32输出一个速度误差信号Ve和驱动辅助电机将一个垂直的摩擦力F加在轮12与导轨6之间，抵消掉振动。另外，当轿厢1停靠在楼层上时，只要具有充足的功率，辅助电机24将对轿厢1进行平层保持和因此不再需要由主驱动装置重新进行通常的平层控制。
为减少系统对能量的需求，辅助电机24优选是同步永磁类型的，从而当电机24对轿厢减速而不是加速时，可以对能量再生。可以将超电容器38安装在功率放大器36的直流中间电路上，以便对再生的能量进行存储，以备以后的使用。因此，从主电源获得的能量仅需要对能量损耗进行补偿。该损耗与损耗系数(1/η-η)成比例，其中η是电机24、输送皮带22、摩擦轮12和功率放大器36的合成效率系数。当η＝0.9、0.8和0.7时，损耗系数分别为0.21、0.45和0.73。因此将使合成效率保持在尽可能高的程度。
采用图2示意示出的电梯对系统的性能进行评价。对两种不同的设备进行模拟；第一种设备具有232m的运行高度和采用四根聚酰胺曳引缆索52，和第二种设备具有400m的运行高度和采用七根聚酰胺缆索52。在这两种情况下，速度控制器34采用零积分增益kI，滤波器34a的下限截止频率为0.3Hz，和从动轮14与与其配合的导轨6之间生成的垂直摩擦力F被限制在大约1000N左右。表1为所获得的数字一览表。在图5-8中结合产生的力和功率和动态轿厢控制DCC系统的能耗对说明通常的系统轿厢加速度和ISO滤波后的轿厢加速度(ISO2631-1和ISO8041规定的人类对振动敏感模型)与本发明的动态轿厢控制DCC系统的记录比较的结果的详细的分析加以说明。
结果清楚地表明动态轿厢控制器DDC在运行时将减小任何加在轿厢1上的振动的振幅和缩短消除那些对低频更为敏感和将触发主模振动的振动，特别是缩短消除短距离移动时(图6和8)的振动的时间。
图9示出本发明的另一实施方式。替代对速度进行测量，采用安装在轿厢1上的加速度测量器40对轿厢1的垂直加速度Ac进行测量。在比较器32中用加速度测量器40输出的信号Ac减去从主驱动装置导出的加速度基准信号Ar。通过该比较获得的加速度误差信号Ae被输送给加速度控制器44。与在第一个实施例相同，由带通滤波器44a对加速度误差信号Ae进行处理和在滤波后在加速度控制器44内进行放大。加速度控制器44具有比例kp、积分kI和双积分kII放大功能。因此，其功能与第一实施例的速度控制器34类似，但信号的定量是不同的和因此必须改变滤波和放大的程度。
如上所述，控制器44输出的力指令信号Fc被输送给功率放大器36，所述功率放大器接着对辅助电机24进行驱动，将垂直摩擦力F加在轮12与导轨6之间，对轿厢加速度Ac与基准加速度Ar之间的任何偏差进行补偿。因此辅助电机24被驱动，将一个垂直的摩擦力F加在轮12与导轨6之间，以便抵消掉振动。
表1：
另外，当轿厢1停靠在楼层时，只要具有足够的功率，辅助电机24将对轿厢1保持平层和因此不必重新进行通常的平层控制。
动态轿厢控制器DCC，不管是速度控制器34还是加速度控制器44，如上面的实施例所述都不必非得固定在轿厢上，也可以安装在电梯设备内的任何位置。而且通过将动态轿厢控制器DCC与轿厢控制器DMC一起综合在一个单独的多输入多输出(MIMO)状态空间控制器内，可进一步实现最佳化。
根据在电梯工业中日益普及的实践，可以用皮带替代曳引缆索52，以便减小曳引轮54的直径。本发明同样也适用于这类曳引机构中的任何一种。
另外，本发明的上述实施例的辅助电机24可以是线性电机。在这种设置中线性电机的初级安装在轿厢1上，与作为线性电机的次级的导轨6配合(或两者设置相反)。因此在线性电机的初级与次级之间产生的电磁场不仅用于对沿导轨6对轿厢1进行导向，而且还用于产生必要的垂直力，抵消掉轿厢1的任何振动。由于目前可以得到的线性电机的效率低、较重和不能实现能量再生，因而具有的优势不大。
尽管上面结合具有合成材料曳引缆索52或皮带的曳引电梯对本发明做了说明，特别是对具有合成材料曳引缆索52或皮带的曳引电梯做了说明，但很明显，本发明也适用于液压电梯。在这种设置中，主驱动装置包括电梯控制器和泵，所述泵用于对液压缸与滑台之间的液压油量进行调整，以便对竖井8内的轿厢1进行驱动和承载。
Claims (18)
1.一种电梯，包括：
轿厢(1)，所述轿厢(1)沿竖井(8)内的导轨(6)运行；和
主驱动装置(52，54，56，DMC)，用于对轿厢(1)进行驱动，
其特征在于，所述电梯还包括：
传感器(30；40)，安装在轿厢(1)上，用于对轿厢(1)的垂直运行参数进行测量；
比较器(32)，用于将检测出的轿厢运行参数与从主驱动装置(52，54，56，DMC)导出的基准值进行比较，和
辅助电机(24)，安装在轿厢(1)上，用于根据比较器(32)输出的误差信号将一垂直的力(F)加在至少一个导轨(6)上。
2.按照权利要求1所述的电梯，其中主驱动装置包括电梯控制器(DMC)、主驱动电机(56)和曳引轮(54)，所述曳引轮与曳引缆索(52)啮合，所述曳引缆索用于将轿厢(1)与对重(50)连接在一起。
3.按照权利要求2所述的电梯，其中曳引轮(54)是合成材料制成的。
4.按照上述权利要求中任一项所述的电梯，其中误差信号被输送给辅助控制器(34；44)，所述辅助控制器向功率放大器(36)输出一个力指令信号(Fc)，所述功率放大器用于向辅助电机(24)提供能量。
5.按照权利要求4所述的电梯，其中辅助控制器(33；34)包括一个带通滤波器(34a)、至少一个比例放大器(kp)、微分放大器(kD)、积分放大器(kI)和双积分放大器(kII)。
6.按照权利要求4所述的电梯，其中利用滚轮导向装置(10)对轿厢(1)沿导轨(6)进行导向，每个滚轮导向装置(10)包括多个轮(12)，所述轮与导轨(6)接合和其中辅助电机(24)的设置应使至少一个轮(12)旋转。
7.按照权利要求5所述的电梯，其中利用滚轮导向装置(10)对轿厢(1)沿导轨(6)进行导向，每个滚轮导向装置(10)包括多个轮(12)，所述轮与导轨(6)接合和其中辅助电机(24)的设置应使至少一个轮(12)旋转。
8.按照权利要求6所述的电梯，其中所述轮(12)的轴可旋转地安装在杆件(16)的第一点(P1)上，所述杆件(16)可摆动地固定在轿厢(1)的第二点(P2)上和辅助电机(24)的轴(26)与第二点(P2)对准，所述电梯还包括传动皮带(22)，所述传动皮带对所述轮(12)和辅助电机(24)的轴包绕，从而保证同步旋转。
9.按照权利要求7所述的电梯，其中从动轮(12)的轴可旋转地安装在杆件(16)的第一点(P1)上，所述杆件(16)可摆动地固定在轿厢(1)的第二点(P2)上和辅助电机(24)的轴(26)与第二点(P2)对准，所述电梯还包括传动皮带(22)，所述传动皮带对从动轮(12)和辅助电机(24)的轴包绕，从而保证同步旋转。
10.按照权利要求6所述的电梯，其中辅助电机(24)是同步永磁电机或异步电机或直流电机。
11.按照权利要求7所述的电梯，其中辅助电机(24)是同步永磁电机或异步电机或直流电机。
12.按照权利要求8所述的电梯，其中辅助电机(24)是同步永磁电机或异步电机或直流电机。
13.按照权利要求9所述的电梯，其中辅助电机(24)是同步永磁电机或异步电机或直流电机。
14.按照权利要求10所述的电梯，其中功率放大器(36)包括一个或多个超电容器(38)。
15.按照权利要求11所述的电梯，其中功率放大器(36)包括一个或多个超电容器(38)。
16.按照权利要求12所述的电梯，其中功率放大器(36)包括一个或多个超电容器(38)。
17.按照权利要求13所述的电梯，其中功率放大器(36)包括一个或多个超电容器(38)。
18.一种用于减轻加在电梯轿厢(1)上的振动的方法，包括如下步骤：
提出一种主驱动装置(52，54，56，DMC)，所述主驱动装置用于对轿厢(1)沿竖井(8)内的导轨(6)进行驱动，
其特征在于，
对轿厢(1)的垂直运行参数进行测量；
将测量出的轿厢(1)的垂直运行参数与从主驱动装置(52，54，56，DMC)导出的基准值进行比较，生成一误差信号，和
对安装在轿厢(1)上的辅助电机(24)进行驱动，以便根据误差信号将垂直的力(F)加在至少一个导轨(6)上。
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